沿空掘巷技術在4310皮帶順槽的應用

周業(yè)亭，郭振忠

淄博礦業(yè)集團有限責任公司許廠煤礦，山東濟寧 272173

1 4310皮帶順槽的地質概況

許廠煤礦是山東能源淄礦集團的主要礦井之一，為了解決接續(xù)問題和盡可能提高回采率，準備在4310皮帶順槽實施沿空掘巷，4310皮帶順槽西鄰530輔助回風巷，東鄰已回采的4308面。

巷道設計長度為772m，該巷道在下二迭統(tǒng)山西組3下煤層及其頂、底板中施工。煤層黑至灰黑色，瀝青、油脂光澤，碎塊狀至條帶狀結構，半亮型，以亮煤、暗煤為主，夾少量鏡煤條帶。

內(nèi)生裂隙發(fā)育，充填少量鈣質和黃鐵礦薄膜，煤層沉積穩(wěn)定，結構較簡單，局部有夾矸，夾矸最大厚約0.3m，煤層厚度變化不大，一般在3.8m～4.2m之間，平均3.9m，沿掘進方向煤層傾角為-6°～+3°，平均+2°。

2 預留保護煤柱寬度的確定

因4310皮帶順槽東側為4308工作面采空區(qū)，通過對4310皮帶順槽地質條件分析，根據(jù)沿空掘巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，需確定煤柱的合理寬度以便進行巷道支護。

根據(jù)我礦多次沿空掘進觀測資料表明，沿空掘巷時，一般頂板的位移量變化不大，通常在300mm以下，但巷道兩側近頂板處位移量明顯有較大的差異，一般沿采空區(qū)一側大于實煤區(qū)一側；沿空巷兩幫向巷道內(nèi)的水平移動也明顯不同，說明巷道兩幫側壓也不同，多數(shù)情況下是實煤側大于采空側；此外多數(shù)巷道的兩側頂壓也不同，一般是靠采空側頂壓大而靠煤體側小。

由于煤體邊緣存在低壓區(qū)，沿采空區(qū)側掘巷時，煤柱較小對巷道圍巖穩(wěn)定較為有利，我們利用4310皮帶順槽地應力分布特征，采用煤（巖）體表面相對位移監(jiān)測方法，數(shù)值模擬了4308工作面采過、穩(wěn)定以后，預留不同寬度的煤柱對4310皮帶順槽的施工存在的影響情況。

當煤柱過?。ㄐ∮?.5 m）時，由于工作面采動后影響，使圍巖較為破碎，而錨桿錨固力較小支護不住煤體；當煤柱寬度大于6 m后，隨著煤柱寬度的增大，巷道圍巖應力也會變大，兩幫位移量跟著變大；因此為使沿空巷道較易維護，煤柱寬度以5.0m最為有利，所以將4310皮順保護煤柱寬度確定為5.0 m。

3 支護設計

沿空掘進時，為防止采空區(qū)向巷道竄矸或是采空區(qū)積水和有毒有害氣體進入巷道，在4310皮帶順槽和4308采空區(qū)之間預留5m的煤柱，掘進過程中無明顯壓力，某些地段可能有水滲出，但不影響掘進，局部可能會有擠幫現(xiàn)象出現(xiàn)。

除了在在支護參數(shù)和材料進行優(yōu)化設計以外，還需要使實際巷道掘進寬度比設計寬度兩幫各多出200mm，這樣即使擠幫的情況發(fā)生，也不影響巷道的正常使用，不需要花費更多的人力、物力、財力進行巷修。

3.1 支護材料參數(shù)設計

3.1.1 頂錨桿參數(shù)確定

1）頂板兩側錨桿長度的確定

頂板兩側錨桿長度的確定原則是：使其錨固端水平投影伸入兩幫內(nèi)0.5m以上，以保證受到兩幫煤體的有效支撐，從而實現(xiàn)巷道頂部載荷向兩幫轉移，按下式計算：

式中：

L-傾斜錨桿長度；

L1-要求錨固端水平投影伸入煤體內(nèi)的距離，取L1=0.5m；

L2-傾斜錨桿下端到煤壁的水平距離，取L2=0.3m；β-傾斜錨桿水平面夾角，取β≥75°；

L3-額定錨固長度，取L3=1.0m；

L4-錨桿外露長度，取L4=0.1。根據(jù)錨桿系列長度，取頂板錨桿長度為2.4m。

2）頂錨桿直徑校驗

按桿體強度與錨固力相匹配的原則確定桿體直徑。額定錨固力為：

式中：

Φ孔-錨桿孔徑，取27mm；

σ′-錨固劑與孔壁之間的粘結強度：取1.45MPa；

L錨—錨固劑長度，取1 000mm；桿體采用20MnSi高強度全螺紋鋼錨桿材料，其直徑應滿足π×d2×σs/4≥P錨，則

式中：

d-錨桿桿體直徑；

σs-桿體屈服強度，取540N/mm2；

根據(jù)錨桿系列直徑取d=18mm。

3）頂錨桿間排距

根據(jù)全煤巷道錨桿支護經(jīng)驗和巷道寬度及服務年限，確定錨桿間距為0.9m。

錨桿排距L排應滿足：

L排 =n×N/[ 2K×r×B×（L-L4）] =5×85/[2×5×2.5×4.2×（2.4-0.1）] =1.76m

式中：

n-每排錨桿棵數(shù)，取5條；N-每棵錨桿錨固力，取85kN；K-安全系數(shù)，取5；r-頂板巖層容重，取2.5t/m3；B-巷道荒寬，取4.2m；L-錨桿長度，取2.4m；L4-錨桿外露，取0.1m；根據(jù)以往施工經(jīng)驗，結合上式計算，取L排=0.9m。

3.1.2 幫錨桿參數(shù)確定

1）幫錨桿長度

幫=L1+L2+L3=0.827+0.5+0.1=1.427m

式中：

L1-兩幫潛在松塌區(qū)寬度，L1=h×tg（45-Ψ/2）=3.6×tg（45-63.4/2）=0.85m；

L2-幫錨桿的額定錨固長度，取0.5m；L3-幫錨桿外露長度，取0.1m；

根據(jù)錨桿系列長度，取幫錨桿長度為1.8m。

2）幫錨桿桿體直徑校核

幫錨桿選用20MnSi高強度全螺紋鋼錨桿，幫錨桿錨固力初步確定為85kN，選用一支樹脂錨固劑。計算幫錨桿直徑，幫錨桿桿體直徑應滿足額定錨固力要求。

即：

式中：

d-錨桿桿體直徑；

σs-桿體屈服強度，取540N/mm2；

根據(jù)錨桿系列直徑取d=18mm。

3）幫錨桿間排距

為滿足均勻壓縮帶即：“擋固層”有一定厚度的要求，則錨桿間距應滿足：D≤2（L幫-L3）/3=2（1.8-0.1）/3=1.13m

為便于施工，幫錨桿間距取1.0 m；幫錨桿排距與頂錨桿相同，取0.9m。

3.1.3 錨索補強加固參數(shù)

根據(jù)錨索支護機理，其參數(shù)設計可參照錨桿懸吊理論進行計算，巷道頂板潛在破壞范圍如前述，錨索補強支護是把這個范圍的煤巖層錨固到其上部的穩(wěn)定巖層中即可。

1）錨索最小長度Lmin=Lx+Lm+Lw=6.01+1.0+0.2 =7.21m

其中：

Lx-錨索懸吊頂板巖石的厚度；h1-頂煤平均厚度；h2-上部考慮偽頂厚度，取0m；h3-直接頂厚度，取2.71m；Lx=h1+h2+h3=3.3+2.71=6.01m；

Lm-鋼鉸線錨固長度，取1.0m；Lw-錨索漲緊后所需外露長度，取0.2m。

根據(jù)已有生產(chǎn)經(jīng)驗，錨索線最小長度為8m，在施工中根據(jù)老頂層位及巖性變化及時進行修定。

2）錨索間距D

錨索間距D應小于錨索長度的一半即：

D＜Lmin/2=3.6m；

考慮巷道寬度B=4.2m，取錨索間距為1.8m，每組錨索布置兩條。

3）錨索排距D'

根據(jù)類似巷道掘進經(jīng)驗，考慮現(xiàn)場施工方便，取D'=1.8m。

巷道永久支護每隔一排錨桿排打設一排錨索排加強支護。

3.2 支護參數(shù)確定

根據(jù)4310皮帶順槽支護情況和地質條件，用工程類比法進行4310皮帶順槽支護參數(shù)設計，以巷道維護效果好、支護成本低、施工速度快為原則確定支護參數(shù)：

1）錨桿：頂板采用左旋高性能螺紋鋼錨桿規(guī)格為Φ20mm×2400mm，錨桿間排距為900mm×900mm，頂板錨桿必須使用配套的金屬墊圈和塑料減磨墊圈；兩幫采用20MnSi高強度全螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ18mm×1800mm，兩幫錨桿間排距均為1000mm×900mm；

2）螺母：頂板錨桿螺母采用與錨桿配套的專用緩沖螺母和減磨墊圈，兩幫錨桿螺母采用M18鑄鋼螺母；

3）錨固劑：頂、幫錨桿每條均使用2塊MSCK23/50樹脂錨固劑固定；

4）金屬網(wǎng)：頂板、兩幫均采用10#鐵絲編制而成的網(wǎng)孔50mm×50mm的菱形金屬網(wǎng)搭接使用；

5）T型鋼帶、異型鋼帶： 頂板均使用T型鋼帶，規(guī)格為3800mm×100mm×10mm，兩幫異型鋼帶采用卷邊厚度6mm、中間4mm的型材制作，規(guī)格為長×寬=2600mm×80mm；

6）托盤：頂板錨桿托盤采用規(guī)格為160mm×100mm×10mm的T型鋼制作，兩幫錨桿托盤采用鋼板沖壓制作，規(guī)格為120mm×120mm×10mm；

7）錨索：錨索鋼鉸線采用Φ17.8mm的低松馳預應力左旋鋼鉸線，其長度不低于8 000mm，使用1塊MSCK23/50樹脂錨固劑和3塊MSK23/50樹脂錨固劑固定，配套鎖具型號為QLKM19單孔錨索索具，錨索線托盤采用鋼板制作，規(guī)格為長×寬×厚=90mm×80mm×8mm。

4 巷道礦壓觀測方案

為觀測巷道在掘進期間、掘后穩(wěn)定期間及受工作面采動影響期間圍巖的活動規(guī)律及支護效果，獲得沿空掘進圍巖變化的資料，我們在巷道掘進過程中設置相應的觀測點，對巷道的各個參數(shù)情況進行科學觀測。

一般情況下，每隔100m距離（在巷道壓力較大地點，每隔30m～50m距離）在巷道頂板安設一個頂板離層觀測儀；頂板離層儀從安裝完畢到距離掘進工作面50m期間安排專人每班測讀一次。

距掘進工作面50m后，單位時間下沉量大于10mm/周時，每兩天測讀一次；5mm/周時～10mm/周時，每半月測讀一次；小于5mm/周時每月測讀一次，并將測讀結果記錄好，整理后記錄到臺帳上。

對于復雜地段如斷層及圍巖破碎帶、應力集中區(qū)、頂板淋水區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)、巷道穿層地段、瓦斯異常區(qū)、大斷面、大跨度巷道等地段除安設頂板離層儀外，同時，標設檢測點，每組四個，一般情況下把點設置在錨桿頭，每隔10m一組，每天觀測一次，記錄觀測巷道的頂、底板及兩幫位移量。

在頂板總下沉量超過30mm時應加強觀測，總下沉量超過巷道頂板離層臨界值50mm時，應補打錨索，采取加強支護措施。

5 結論

采空區(qū)對巷道的支護影響是比較大的，與普通巷道比較，支護相對困難，通過對支護材料及參數(shù)的優(yōu)化，使4310皮帶順槽沿空掘進安全順利的完成了施工，既保證了安全生產(chǎn)，又加快了掘進速度，解決了我礦生產(chǎn)接替緊張問題，提高了資源回收率，增加了經(jīng)濟效益。

[1]張貴山.沿空留巷護巷材料的選擇[J].礦山壓力與頂板管理，1984.

[2]張洪鵬，曹忠，江兆利.復合軟巖頂板、松軟煤層沿空掘巷理論探討[D].2005年度山東煤炭學會優(yōu)秀學術論文集，2005.